CN115632629A - 一种实现横波抑制的弹性波装置及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通信电路元件技术领域，具体涉及一种实现横波抑制的弹性波装置及制造方法，所述装置包括压电衬底层和叉指换能器电极结构，所述叉指换能器电极结构包括汇流条、真指电极和假指电极；所述汇流条倾斜角度θ设置，所述真指电极或假指电极与汇流条的连接角度α和倾斜角度θ互余；同一汇流条上的假指电极端部的与相邻真指电极之间设有质量负载调节条；所述真指电极的端部上设有质量负载调节块，所述真指电极靠近汇流条的中下部位置也设有质量负载调节块，一真指电极端部上的质量负载调节块与相邻真指电极中下部位置的质量负载调节块的连线与汇流条平行。本发明能有效抑制禁带区域内的横波杂散且不在反谐振点高频端出现杂散波纹。
Description
技术领域
本发明涉及通信电路元件技术领域，具体涉及一种实现横波抑制的弹性波装置及制造方法。
背景技术
基于叉指换能器结构的压电弹性波装置通常是在压电衬底上制作图形化梳齿换能器结构，从而激励具有一定传播特性的声波。如图1所示，其主要结构包括设置在压电衬底层24上的叉指换能器电极结构，叉指换能器电极结构包括两平行设置的汇流条21，以及在汇流条21上呈垂直态且梳齿状分布的真指电极22和假指电极23，两汇流条11上的真指电极22和假指电极23端部分别相对设置。
在便携式移动电话等信息通信装置领域，谐振器、滤波器等电路元件的特性强烈取决于弹性波装置的特性。而在上述的弹性波装置中，受到真指电极22激发的声波沿着压电衬底24传播，但是声波在传播过程中常常会发生衍射，部分能量分量沿着u2到达汇流条21边沿产生能量损耗且被反射，从而影响沿u1方向传播的声波的特性，具体表现为在弹性波装置信号响应的主谐振模态禁带区域内出现大量波纹，即横波杂散声波模式，从而影响到基于该弹性波装置的滤波器的带内损耗等性能参数。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种实现横波抑制的弹性波装置，能有效抑制禁带区域内的横波杂散且不在反谐振点高频端出现杂散波纹。
为了达到上述目的，提供了一种实现横波抑制的弹性波装置，包括压电衬底层24和叉指换能器电极结构，所述叉指换能器电极结构包括汇流条21、真指电极22和假指电极23，所述汇流条21倾斜角度θ设置，所述真指电极22或假指电极23与汇流条21的连接角度α和倾斜角度θ互余；同一汇流条21上的假指电极23端部的与相邻真指电极22之间设有质量负载调节条26。
原理及优点：
本方案中，汇流条21倾斜角度θ的设置，当叉指换能器电极结构旋转一定角度倾角时，谐振器谐振响应曲线禁带内的波纹会减少，即横向杂散模式被明显抑制，但是在反谐振点的高端会出现新的杂散，从而影响基于该弹性波装置的滤波器的性能。为了保留汇流条21倾斜角度θ的优点并消除在反谐振点的高端会出现新的杂散这一缺点，本方案设计质量负载调节条，利用其调制机制来实现倾斜换能器结构各区域的声速控制，使得激励声波在传播过程中的衍射效应减弱，u2方向的能量分量减小，汇流条边沿反射效应减弱，从而使得弹性波装置主谐振信号响应的禁带区域的横向杂散波纹得到抑制且不在反谐振点高频端出现杂散波纹。进而提高了基于该弹性波装置的滤波器的通带、矩形度以及带外性能，而且技术便于工艺制作，且器件结构体积较小。
进一步，所述质量负载调节条26为单一整体设置且平行于汇流条21，所述质量负载调节条26分别在连接在同一汇流条21上的假指电极23上或真指电极22上。
有益效果：实现倾斜换能器结构各区域的声速控制，使得激励声波在传播过程中的衍射效应减弱，u2方向的能量分量减小，汇流条边沿反射效应减弱，从而使得弹性波装置主谐振信号响应的禁带区域的横向杂散波纹得到抑制且不在反谐振点高频端出现杂散波纹。
进一步，所述质量负载调节条26为若干等间隔距离设置的质量负载调节短条27，若干质量负载调节短条27的连线平行于汇流条21；所述间隔距离为同一流条21上真指电极22和假指电极23之间的间距。
有益效果：实现倾斜换能器结构各区域的声速控制，使得激励声波在传播过程中的衍射效应减弱，u2方向的能量分量减小，汇流条边沿反射效应减弱，从而使得弹性波装置主谐振信号响应的禁带区域的横向杂散波纹得到抑制且不在反谐振点高频端出现杂散波纹。
进一步，所述质量负载调节条26为若干等间隔距离设置的质量负载调节块25，若干质量负载调节块25的连线平行于汇流条21；每一质量负载调节块25设置在真指电极22或假指电极23上。
有益效果：实现倾斜换能器结构各区域的声速控制，使得激励声波在传播过程中的衍射效应减弱，u2方向的能量分量减小，汇流条边沿反射效应减弱，从而使得弹性波装置主谐振信号响应的禁带区域的横向杂散波纹得到抑制且不在反谐振点高频端出现杂散波纹。
进一步，所述真指电极22的端部上设有质量负载调节块25，所述真指电极22靠近汇流条21的中下部位置也设有质量负载调节块25，一真指电极22端部上的质量负载调节块25与相邻真指电极22中下部位置的质量负载调节块25的连线与汇流条21平行。
有益效果：若干质量负载调节块25的设置，能够达到较好的反谐振点高端杂散抑制效果。
进一步，hb代表质量负载调节条26的宽度，wp代表质量负载调节块25的长度，hp代表质量负载调节块25的宽度，其中hb控制在1倍波长的范围内，wp不超过指宽的1倍，hp控制在1倍波长范围内。
有益效果：以上参量大小对高端杂散抑制的作用有明显影响，其中wp不超过指宽的1倍，以避免过宽造成电极短路，hp控制在1倍波长范围内会达到较好的反谐振点高端杂散抑制效果。
本发明的目的之二在于提供一种实现横波抑制的弹性波装置的制造方法，包括以下步骤：
S1、准备衬底材料63和压电薄膜材料62，并通过键合技术热键合在一起，形成压电薄膜/衬底异质结构；
S2、在压电薄膜/衬底异质结构上采用光刻工艺加工如权利要求1-6任一所述的图形化的叉指换能器电极结构61，得到叉指电极层。
原理及优点：
1.技术便于工艺制作，且器件结构体积较小。
2.本方案中，汇流条21倾斜角度θ的设置，当叉指换能器电极结构旋转一定角度倾角时，谐振器谐振响应曲线禁带内的波纹会减少，即横向杂散模式被明显抑制，但是在反谐振点的高端会出现新的杂散，从而影响基于该弹性波装置的滤波器的性能。为了保留汇流条21倾斜角度θ的优点并消除在反谐振点的高端会出现新的杂散这一缺点，本方案设计质量负载调节条，利用其调制机制来实现倾斜换能器结构各区域的声速控制，使得激励声波在传播过程中的衍射效应减弱，u2方向的能量分量减小，汇流条边沿反射效应减弱，从而使得弹性波装置主谐振信号响应的禁带区域的横向杂散波纹得到抑制且不在反谐振点高频端出现杂散波纹。进而提高了基于该弹性波装置的滤波器的通带、矩形度以及带外性能。
进一步，还包括以下步骤：
S3、在叉指电极层上沉积钝化层72。
有益效果：钝化层74可以保护叉指换能器结构防止其氧化受潮。
进一步，所述步骤S1还包括以下步骤：
S101、在衬底材料63和压电薄膜材料62键合前，在衬底材料63上制备温度特性优化层64，所述温度特性优化层64的材料包括二氧化硅。
有益效果：温度特性优化层64可改善装置的温度特性。
进一步，所述步骤S1还包括以下步骤：
S102、在温度特性优化层64与压电薄膜材料62之间设置高声速薄膜层，所述高声速薄膜层包括金刚石薄膜层71。
有益效果：有益于提高器件的谐振频率，激励出高阶谐振模式，适用于高频带；
附图说明
图1为现有的压电弹性波装置的叉指换能器电极结构的俯视向结构示意图；
图2为图1现有的压电弹性波装置的谐振器导纳曲线图；
图3为本发明实施例一中一种实现横波抑制的弹性波装置中叉指换能器电极结构在汇流条设置倾斜角度和在假指电极上设置质量负载调节条时的俯视向结构示意图；
图4为图3的弹性波装置的谐振器导纳曲线图；
图5为在图3的叉指换能器电极结构中真指电极上设置质量负载调节块时的俯视向结构示意图；
图6为图5的弹性波装置的谐振器导纳曲线图；
图7为本发明实施例二中叉指换能器电极结构在汇流条设置倾斜角度和在假指电极上设置质量负载调节短条时的俯视向结构示意图；
图8为在图7的叉指换能器电极结构中真指电极上设置质量负载调节块时的俯视向结构示意图；
图9本发明实施例三中的叉指换能器电极结构中将质量负载调节条设置为质量负载调节块时的俯视向结构示意图；
图10为弹性波装置的叉指换能器电极结构的参数数据示意图；
图11为弹性波装置的侧视截面图；
图12为弹性波装置的侧视截面图.
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：汇流条21、真指电极22、假指电极23、压电衬底层24、质量负载调节块25、质量负载调节条26、质量负载调节短条27、叉指换能器电极结构61、压电薄膜材料62、衬底材料63、温度特性优化层64、金刚石薄膜层71、钝化层72。
实施例一
一种实现横波抑制的弹性波装置，基本如图3-图6所示，包括压电衬底层24和设置在压电衬底层24上的叉指换能器电极结构，所述叉指换能器电极结构包括两条平行设置的汇流条21，每条汇流条21上均设有呈梳齿状等间隔分布的真指电极22和假指电极23。且两条汇流条21上的真指电极22和假指电极23分别相对设置。
如图3所示，所述汇流条21倾斜角度θ设置，所述真指电极22或假指电极23与汇流条21的连接角度α和倾斜角度θ互余。同一汇流条21上的假指电极23端部的与相邻真指电极22之间设有质量负载调节条26。
本实施例中，所述质量负载调节条26为单一整体设置且平行于汇流条21，所述质量负载调节条26分别在连接在同一汇流条21上的假指电极23上或真指电极22上。
如图5所示，所述真指电极22的端部上设有质量负载调节块25，所述真指电极22靠近汇流条21的中下部位置也设有质量负载调节块25，一真指电极22端部上的质量负载调节块25与相邻真指电极22中下部位置的质量负载调节块25的连线与汇流条21平行。
如图10所示，hb代表质量负载调节条26的宽度，wp代表质量负载调节块25的长度，hp代表质量负载调节块25的宽度，其中hb控制在1倍波长λ的范围内，wp不超过指宽(真指电极22或假指电极23的宽度)的1倍，hp控制在1倍波长λ范围内。
具体实施方式：
如图4、6所示，汇流条21设置倾斜角度θ时，谐振器谐振响应曲线禁带内的波纹会减少，即横向杂散模式被明显抑制，但是在反谐振点的高端会出现新的杂散，从而影响基于该弹性波装置的滤波器的性能，如图2中的曲线，可从导纳实部曲线看出在反谐振的高端出现杂散波纹，为了保留汇流条21倾斜角度θ的优点并消除在反谐振点的高端会出现新的杂散这一缺点，本方案设计质量负载调节条，利用其调制机制来实现倾斜换能器结构各区域的声速控制，使得激励声波在传播过程中的衍射效应减弱，u2方向的能量分量减小，汇流条边沿反射效应减弱，从而使得弹性波装置主谐振信号响应的禁带区域的横向杂散波纹得到抑制且不在反谐振点高频端出现杂散波纹。进而提高了基于该弹性波装置的滤波器的通带、矩形度以及带外性能。
同时，本方案在真指电极22端部上设置了质量负载调节块25，进一步抑制了横向杂散波纹且不在反谐振点高频端出现杂散波纹，提高了基于该弹性波装置的滤波器的通带、矩形度以及带外性能。
一种实现横波抑制的弹性波装置的制造方法，包括以下步骤：
S1、准备衬底材料63和压电薄膜材料62，并通过键合技术热键合在一起，形成压电薄膜/衬底异质结构；衬底材料63可以为蓝宝石、氮化硅、碳化硅、硅、SOI等，本实施例中采用硅，并采用反向RF溅射模式清洗硅衬底表面；压电薄膜材料62可以为铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氮化铝钪、氧化锌等。本实施例中采用铌酸锂。
所述步骤S1还包括以下步骤：
S101、在衬底材料63和压电薄膜材料62键合前，可先在衬底材料63上制备温度特性优化层64，所述温度特性优化层64的材料包括二氧化硅。二氧化硅层采用POI专用的温补工艺加工，层厚一般小于1μm。然后可在二氧化硅层上采用直接热键合工艺或者离子切片工艺加工一层铌酸锂压电薄膜3，厚度一般小于2μm。
S2、在压电薄膜/衬底异质结构上采用光刻工艺加工如上述的图形化的叉指换能器电极结构61，得到叉指电极层。本实施例中，采用lift-off剥离工艺加工上叉指换能器电极结构61，叉指换能器电极结构61的材料可以为铝、金、钛、铂、铜、钼等单层材料，也可以为组合双层金属材料，厚度一般小于0.5μm。
S3、在叉指电极层上沉积钝化层72。沉积钝化层72以保护叉指换能器结构防止其氧化受潮。材料一般为氧化铝、二氧化硅等。本实施例中采用二氧化硅。其原因在于：在沉积压电薄膜之前，热氧化制作的一层二氧化硅层，与二氧化硅钝化层一起可以协同调制弹性波装置的温度敏感特性，以适应对温度敏感的场景。而得到的弹性波装置如图11所示。
由于异质结构各层厚度，叉指换能器结构的不同都会造成所激励声波谐振模式的差异，在制备过程中也存在不同工艺设备及工艺条件所生长的异质层质量不同的区别，因此多层异质结构谐振器的高端杂散抑制具有特异性，存在着质量负载调节块多结构参数的控制与匹配，如图10所示。hb代表条带结构的宽度，wp代表质量负载调节块结构的长度，hp代表质量负载调节块结构的宽度，以上参量大小对高端杂散抑制的作用有明显影响，其中hb一般需要控制在1倍波长λ(同一汇流条21上两真指电极22或两假指电极23之间的距离长度)的范围内，wp不超过指宽的1倍，以避免过宽造成电极短路，hp控制在1倍波长λ范围内会达到较好的反谐振点高端杂散抑制效果。
实施例二
实施例二与实施例一的区别在于质量负载调节条26，所述质量负载调节条26为若干等间隔距离设置的质量负载调节短条27，若干质量负载调节短条27的连线平行于汇流条21；所述间隔距离为同一流条21上真指电极22和假指电极23之间的间距。本实施例中，如图7、图8所示，质量负载调节短条27的设置长度为a+p(参考图1的参数设置)，其中a为真指电极22或假指电极23的宽度距离，p为真指电极22或假指电极23的宽度距离加上真指电极22与假指电极23的间隔距离。
实施例三
实施例三与实施例一的区别在于质量负载调节条26，所述质量负载调节条26为若干等间隔距离设置的质量负载调节块25，若干质量负载调节块25的连线平行于汇流条21；每一质量负载调节块25设置在真指电极22或假指电极23上。如图9所示，真指电极22和假指电极23上的质量负载调节块25可看似构成四条带状结构。
实施例四
实施例四与实施例一的区别在于，所述步骤S1还包括以下步骤：
S102、在其他实施例中，可在温度特性优化层64与压电薄膜材料62之间设置高声速薄膜层，所述高声速薄膜层包括金刚石薄膜层71。最终得到的弹性波装置如图12所示。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (10)
1.一种实现横波抑制的弹性波装置，包括压电衬底层24和叉指换能器电极结构，所述叉指换能器电极结构包括汇流条21、真指电极22和假指电极23，其特征在于：所述汇流条21倾斜角度θ设置，所述真指电极22或假指电极23与汇流条21的连接角度α和倾斜角度θ互余；同一汇流条21上的假指电极23端部的与相邻真指电极22之间设有质量负载调节条26。
2.根据权利要求1所述的一种实现横波抑制的弹性波装置，其特征在于：所述质量负载调节条26为单一整体设置且平行于汇流条21，所述质量负载调节条26分别在连接在同一汇流条21上的假指电极23上或真指电极22上。
3.根据权利要求1所述的一种实现横波抑制的弹性波装置，其特征在于：所述质量负载调节条26为若干等间隔距离设置的质量负载调节短条27，若干质量负载调节短条27的连线平行于汇流条21；所述间隔距离为同一流条21上真指电极22和假指电极23之间的间距。
4.根据权利要求1所述的一种实现横波抑制的弹性波装置，其特征在于：所述质量负载调节条26为若干等间隔距离设置的质量负载调节块25，若干质量负载调节块25的连线平行于汇流条21；每一质量负载调节块25设置在真指电极22或假指电极23上。
5.根据权利要求2-4任一所述的一种实现横波抑制的弹性波装置，其特征在于：所述真指电极22的端部上设有质量负载调节块25，所述真指电极22靠近汇流条21的中下部位置也设有质量负载调节块25，一真指电极22端部上的质量负载调节块25与相邻真指电极22中下部位置的质量负载调节块25的连线与汇流条21平行。
6.根据权利要求5所述的一种实现横波抑制的弹性波装置，其特征在于：hb代表质量负载调节条26的宽度，wp代表质量负载调节块25的长度，hp代表质量负载调节块25的宽度，其中hb控制在1倍波长的范围内，wp不超过指宽的1倍，hp控制在1倍波长范围内。
7.一种实现横波抑制的弹性波装置的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备衬底材料63和压电薄膜材料62，并通过键合技术热键合在一起，形成压电薄膜/衬底异质结构；
S2、在压电薄膜/衬底异质结构上采用光刻工艺加工上述的图形化的叉指换能器电极结构61，得到叉指电极层。
8.根据权利要求7所述的一种实现横波抑制的弹性波装置的制造方法，其特征在于：还包括以下步骤：
S3、在叉指电极层上沉积钝化层72。
9.根据权利要求8所述的一种实现横波抑制的弹性波装置的制造方法，其特征在于：所述步骤S1还包括以下步骤：
S101、在衬底材料63和压电薄膜材料62键合前，在衬底材料63上制备温度特性优化层64，所述温度特性优化层64的材料包括二氧化硅。
10.根据权利要求9所述的一种实现横波抑制的弹性波装置的制造方法，其特征在于：所述步骤S1还包括以下步骤：
S102、在温度特性优化层64与压电薄膜材料62之间设置高声速薄膜层，所述高声速薄膜层包括金刚石薄膜层71。
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